Cross layer design for low power wireless sensor networks

Abstract

Fortschritte auf dem Gebiet der verteilten Systeme und Mikroelektronik haben in den vergangenen Jahren neue vielfältige Applikationsfelder im Bereich der drahtlosen Sensornetzwerke entstehen lassen.<br />Drahtlose Sensornetzwerke werden durch ihre begrenzten Ressourcen im Bezug auf die zur Verfügung stehende Rechnerleistung und Energie sowie deren anwendungsspezifischen Eigenschaften bestimmt. Gegenüber drahtgebundenen OSI basierten Netzwerken erfordert dies einen abweichenden Ansatz bezüglich der Protokollarchitektur. In dieser Arbeit werden sowohl eine Protokollarchitektur für drahtlose Sensornetzwerke vorgestellt, die den neuen Anforderungen gerecht werden soll, als auch neue Routing-Protokolle im Kontext der vorgeschlagenen Architektur entwickelt.<br />Die sehr wichtige Energieoptimierung kann mittels Verbesserungen in der Hardware aber vor allem auch im Software Design erreicht werden. Der Software-Ansatz beinhaltet die Entwicklung energieeffizienter Kommunikationsprotokolle sowie die Interaktion dieser Protokollschichten (Cross Layer Design), um Vorteile in mehrfacher Hinsicht zu erzielen. Da drahtlose Sensornetzwerke sehr applikationsspezifische Anforderungen haben, wird die Applikation Container-Überwachung als Referenzapplikation herangezogen, um exemplarisch das entwickelte Routingprotokoll und die Vorteile im Zusammenhang mit der Cross-Layer-Architektur zu zeigen. Positionsbasierte Routingprotokolle, die mit anderen Protokollschichten interagieren, werden für die Referenzapplikation entwickelt und in die globale Protokollarchitektur integriert. Damit wird die Nützlichkeit und Machbarkeit der vorgeschlagenen Architektur untermauert.<br />Simulationen zeigen einen reduzierten Energieverbrauch in Anwendungen, die auf Basis der vorgeschlagenen Architektur entwickelt wurden. Die vorgeschlagene Protokollarchitektur kann als ein Schritt vorwärts in Richtung einer Standardisierung von drahtlosen Sensornetzwerken gesehen werden. Die Routingprotokolle können in Klassen von Applikationen angewendet werden, wo die Sensorknoten ihre aktuelle Position kennen.<br />

The latest advances in distributed computing have enabled in the past few years the emergence of a variety of wireless sensor network applications comprising building, health, environment, industry, and military domains.<br />Wireless sensor networks are characterized by constrained power, memory, and computational resources and require a novel design approach. The goal of this thesis is to improve energy performance by employing cross layer design. The goal is achieved by outlining a protocol architecture which supports cross layer design and routing protocols which use cross layer information.<br />Energy performance can be enhanced by designing energy aware hardware and software. Energy aware software approach includes development of energy efficient communication protocols and getting benefits from cross layer interaction among layers. As wireless sensor networks are application dependent, a reference application, container management system is outlined. Protocol architecture which explicitly supports cross layer design is proposed as potential sensor network protocol architecture. Position based routing protocols, for the reference application, which use cross layer information are developed and integrated in the proposed architecture and show that the concept is feasible and can enhance energy efficiency.<br />Simulations show that improved energy efficient solutions are possible with the wireless sensor network protocol architecture proposed in the thesis. The proposed routing schemes can adapt to enhance performance by using cross layer design concepts. The proposed protocol architecture is a step forward towards standardization of wireless sensor networks. The proposed routing protocols can be used in class of applications where nodes know their absolute or relative positions.<br />